生物质与煤混合燃烧发电技术研究进展

闫亚龙, 刘欣玮

(国能锦界能源有限责任公司,陕西 神木 719319)

0 引言

全球变暖是人类面临的巨大威胁,如果全球气温上升2 ℃,将导致一亿人死亡以及数百万种动植物物种灭绝[1]。 为了减少CO2的排放,向绿色和清洁可再生能源转型对于社会的可持续发展至关重要。 在可再生能源中,风能、水能和太阳能等新能源具有随机性和间歇性的特点,这对电网的调峰能力提出了挑战[2]。 而生物质能源具有储量丰富、来源全面、排放低的特点,是一种具有较高应用潜力的可再生资源。生物质的发电技术包括直燃发电、混燃发电和气化发电。 与直燃发电和气化发电相比,混燃发电具有成本较低、建设周期短,受原料性质影响较小的优点。

燃煤机组混燃生物质作为一种经济、高效、清洁的利用方式,在碳减排方面具有很大的潜力,仅需对现有燃煤机组进行适当改造,不仅可以降低CO2的排放量,还可以提高锅炉侧燃料的灵活性。本文针对生物质的分类、燃烧特性、预处理方式、混合燃烧方式、发展现状及遇到的问题等进行了简单的总结。

1 生物质分类及资源现状

根据国际能源机构(IEA)的定义,生物质是指通过光合作用形成的各种有机体,包括所有的动植物和微生物以及这些生命体排泄的有机物质。 生物质能来源于太阳能,是继煤炭、石油和天然气之后的第四大能源。 生物质的种类繁多,包括农业废弃物、林业废弃物、畜禽粪便、生活垃圾、污水污泥、废弃油脂等。 目前,我国生物质资源年产生量约为34.94亿t,但利用率不高。 从图 1 中可以看出,在各类生物质中,禽畜粪便的资源量最高,其次是秸秆,但能源化利用率除生活垃圾外均不超过20%。

图1 各类生物质2020 年产量及利用率

2 生物质和煤的燃烧特性

燃料特性可由工业分析、元素分析、灰分分析和低位热值表示[3]。 表1 给出了几种典型的生物质及煤的燃烧特性,从表1 中可以看出,生物质的挥发分普遍更高一点,当与煤混烧时,有助于提高燃料的反应活性和点火特性[4]。 与煤相比,生物质的水分较多,灰分和固定碳较少。 水分含量是影响燃料燃烧的另一个重要因素,当燃料水分过多时,会使得着火困难。

表1 某些生物质和煤的工业分析

从表2 中可以看出,生物质的C 含量较低,而H、O 含量较多,导致其热值较低,这是因为与C=C 键断开时释放的能量相比,生物质中的C-H 键和C-O 键断开时释放的能量较小。 此外,生物质中的O 含量较多,使其氧化的活化能较低,从而拥有更高的反应活性[5]。 生物质中的S 和N 较少,使其燃烧后释放出来的污染物与燃煤相比较少,与煤混烧时,可以减少污染物的排放。

表2 某些生物质和煤的元素分析

燃料的烧结性越强,则越容易在锅炉中形成烧结性积灰,而燃料的烧结性主要与燃料中所含的碱性物质有关。 从表3 中可以看出,生物质的碱性物质较煤更多,这使其通常表现出更强的结渣和结垢的倾向。

表3 某些生物质和煤的灰分分析

3 生物质预处理

3.1 浸出

生物质中碱金属含量较高,容易导致结渣、腐蚀等问题,使得混烧生物质时降低电厂可靠性、增加维护成本和运营成本。 硫和氯的存在会加速锅炉的腐蚀,同时增加污染物的排放。 因此可以通过浸出来减少生物质燃料中这些成分的存在,以减轻燃烧过程中遇到的问题。

3.2 烘焙

生物质和煤在化学性质和物理性质上都存在差异,生物质的水分较高,能量密度较低,再加上混合特性差,使得生物质和煤的混烧存在问题。 而烘焙可以通过热处理使得生物质拥有与煤较为接近的物理性质。

(1)烘焙可以去除生物质中的水分,提高了生物质的热值并能够使其形成外观类似煤的产物;(2)烘焙可以使生物质具有良好的疏水特性,提高其抗生物降解的能力[7],大大优化了燃料的储存特性,使其能够长时间稳定储存;(3)烘焙可以破坏生物质的木质纤维素结构,改善了生物质的可磨性和流动性,提高燃烧效率,同时有利于煤和生物质的均匀混合。

3.3 生物质成型燃料

生物质作为燃料与传统化石燃料相比最大的问题是能量密度低,给生物质的收集、运输、储存、预处理和给送等带来困难,限制了生物质的大规模应用。而生物质成型可以很好地解决这一问题,生物质成型工艺包括干燥、研磨和压缩。 经过生物质成型后可以大大提高燃料的能量密度。 单位能量所需体积减小可以大大降低运输和存储的成本,且成型后的生物质含水量下降,具有较高的低位发热量。

4 生物质混燃发电

4.1 混合燃烧方式

4.1.1 直接混合燃烧

生物质与煤直接混合燃烧是最常用的技术,就是把预处理过的生物质和煤直接混合送入锅炉进行燃烧,与其他燃烧方式相比,直接混合的投资成本最低。直接混合燃烧根据耦合位置可以分为4 种类型,如图2 所示。

图3 燃烧技术分类

(1) 制粉处混合:生物质和煤混合后送入磨煤机,磨制完成后分配到燃烧器。

(2) 给料混合:生物质由单独的磨机粉碎,通过输送管道与煤粉混合后送入燃烧器。

(3) 燃烧器内混合:生物质燃料也是由单独的磨机粉碎,但与煤粉在燃烧器中混合。

(4) 炉内混合:生物质由单独的磨机粉碎后送入专门的燃烧器燃烧,生物质的磨制与燃烧是独立的。

4.1.2 间接混合燃烧

间接混合燃烧是先将生物质气化,再将产生的生物质燃气输送到锅炉[8],把燃气作为一种再燃燃料,可以减少氮氧化物的排放[9]。 气化产物主要包括CO、CO2、CH4、H2O、H2、N2和一些轻烃。 气化产物的热值与燃料的含水量有关,水分较高时会降低气化产物中可燃气的比例。

4.1.3 并联混合燃烧

并联混合燃烧采用了完全分离的生物质燃烧系统,生物质和碳分别在独立的锅炉中燃烧,再将产生的蒸汽输送到发电机组耦合发电。 并联混合燃烧设计了一个独立燃烧生物质的锅炉,优化了燃烧过程,使结渣和腐蚀等问题大大减轻,为大比例掺烧生物质提供了更多的可能性,降低了操作风险,可靠性更高,但资金投入也大大增加。

4.2 混合燃烧技术

大多数生物质混燃项目都是利用现有的燃煤电厂改造以适应生物质燃料与煤的混合燃烧。 由图 3可知,燃烧技术一般分为固定床、流化床和悬浮燃烧。不同燃烧技术的特点如表4 所示。

表4 炉排炉、流化床和煤粉锅炉燃烧特点

煤粉锅炉采用悬浮燃烧技术,对燃料的要求较高。 因为颗粒尺寸小,燃料气化和固定碳燃烧同时发生,因此,可以实现负载快速变化和高效控制。 通过适当的分阶段配风可以实现低过量空气系数和低NOX排放量。 同时,与流化床或炉排炉相比,煤粉锅炉受结渣、结垢和腐蚀的影响较小。

流化床燃烧技术可分为鼓泡流化床和循环流化床。 由于混合良好,流化床能灵活处理不同的混合燃料,实现了燃料多样化,增加了现有发电厂的燃料范围,但对燃料颗粒尺寸有一定要求。

炉排炉属于固定床的一种,适用于含水量高、灰分含量高和燃料尺寸变化大的生物质。 由于过量空气系数高,炉排炉的热效率较低,限制了该燃烧技术的广泛应用。 目前,炉排炉较多地应用于间接混合燃烧和并联混合燃烧中。

5 生物质混合燃烧发展现状

目前,商用的生物质混合燃烧技术以直接混合燃烧和间接混合燃烧为主。 生物质混合燃烧发电在欧美国家应用较广,约2/3 的大型生物质混烧电厂坐落于欧洲,尤其是北欧和西欧。

在欧洲,英国大部分燃煤电厂均采用了生物质混合燃烧,总装机容量达到25 366 MW。 英国燃煤电厂中采用了多种生物质原料,包括农业剩余物、能源作物和林业剩余物。 英国部分燃煤电厂如表5 所示,其中部分已停产。 最典型的是英国最大的燃煤电厂Drax,该电厂装有6 台660 MW 燃煤机组。

表5 英国生物质混烧电厂

德国最常用的燃料是污水污泥,50%的混燃电厂都使用污水污泥,以3%混燃比混烧,可以不对电厂做出大的改造。 相较于其他生物质资源,污水污泥全年可得且通常为负成本,同时,秸秆和废木屑也是主要的生物质燃料。 表6 列举了德国一些混燃污水污泥的电厂。 从表6 中可以看出,德国生物质混烧电厂以煤粉炉为主,少数使用流化床。

表6 德国生物质混烧电厂

在北美,美国和加拿大是生物质混烧发电的主要应用国家。 对于美国和加拿大而言,大规模进行生物质混合燃烧的问题在于充足的生物质来源、生物质的运输和储存。 截至2010 年,美国560家燃煤电厂中有40 家正在使用生物质混烧技术,并在持续增加中[10]。 所有的生物质混烧电厂都采用直接混合燃烧的方式,大多数为煤粉锅炉。 美国近50%的生物质混烧工厂采用的原料是木制品,如木屑和木材废料。 表7 列举了美国部分生物质混烧电厂。

表7 美国生物质混烧电厂

在亚洲,中国、日本和韩国等国家也开始采用生物质混燃技术。 在这些地方,生物质混烧的主要原料是木质颗粒。 2013 年,日本有24 台燃煤机组开始混烧生物质试验或已投入运行,到2017 年,约有29 个大型燃煤煤机组混烧生物质。

国内的生物质混合燃烧发电技术起步较晚,也是以间接混燃和直接混燃为主。 国内生物质混烧电厂,如表8 所示。 2005 年,国内首个生物质混烧电厂华电十里泉发电厂建成,引进丹麦BWE 公司的秸秆发电技术,生物质发电容量26.0 MW[12]。 2010 年国电宝鸡第二发电有限责任公司在300 MW 燃煤机组上进行生物质预处理成型与煤小比例混燃的试验,但由于运行期间亏损严重,目前已停运[13]。 2012 年,国电长源荆门电厂采用生物质间接混烧技术将640 MW 煤电机组改造为燃煤耦合生物质发电项目,是间接混燃技术在我国大型燃煤电厂的首次成功应用[12]。 大唐长山热电厂是目前国内投运的容量最大的生物质混燃发电机组,采用CFB 微正压空气气化后送入660 MW 超临界锅炉燃烧[14]。 华电襄阳发电厂6 号机组是国内首个以秸秆为主要原料的生物质间接混燃发电机组,于2018 年投产。

表8 国内生物质混烧电厂[11]

6 生物质混合燃烧存在的问题及解决方法

6.1 结渣、腐蚀和积灰

生物质中灰分的形成过程与煤粉燃烧相似[15],在生物质颗粒燃烧和焦炭颗粒形成过程中,挥发性有机金属化合物首先析出,再进行脱挥发分,最后部分碱金属和碱土金属以及挥发性微量元素扩散出来。随着气体温度的降低,挥发性组分成核并冷凝形成亚微米颗粒。 高浓度K 和Na 通过成核、冷凝和反应会导致各种严重的灰相关问题,如碱诱导结渣、硅酸盐熔体诱导结渣和团聚。 KCl 被认为是整个燃烧过程中最稳定的气相含碱金属物质,也是影响生物质结渣的主要物质[16]。

在燃烧过程中,烟气中的Cl2、HCl、NaCl、KCl 等物质在高温下会破坏金属的氧化层加速金属的氧化而导致直接腐蚀,或者形成熔融状碱盐对过热器造成腐蚀,而在低温下当受热面的壁温低于酸露点时,会凝结成酸液对金属发生腐蚀作用。 可以采用优质合金或者抗腐蚀涂层来减少腐蚀。

对于生物质混烧过程中的结渣、腐蚀和积灰等问题,存在多种对策,包括使用添加剂和浸出等方法。浸出直接从来源中去除K,使用添加剂旨在改变灰分成分,并进一步减少挥发性碱物质的存在。

石灰、方解石、高岭土和长石等矿物被用作添加剂,有望改善生物质燃烧过程中与灰有关的问题。 当与燃料混合或添加到燃烧系统中时,这些添加剂可以:(1)通过改变或稀释灰中的耐火元素来提高灰的熔化温度;(2)与低熔点化合物结合并将其转化为高熔点化合物;(3)通过物理吸附降低燃烧系统中有问题的灰种浓度[17]。

浸出是一种有效的预处理手段,可以去除生物质中的无机物质,特别是碱金属、硫和氯减少结渣积灰等问题。 浸出可分为水浸出、醋酸浸出和酸浸出。 约100%的Cl 和90%的碱金属可溶于水,因此,人们对水浸出的研究非常关注。

6.2 污染物排放

6.2.1 SOX排放

混燃生物质可以降低 SOX排放量主要是因为生物质中的S 含量较低,如农林废弃物的平均含硫量仅为0.38%,低于煤的平均含硫量1%[20]。 此外,生物质中碱金属含量较高,与烟气中SO2反应生成硫酸盐起到固硫作用,也会减少SOX的排放量。 目前,电厂中应用最广泛的脱硫技术是石灰石/石膏湿法脱硫(FGD),但当生物质中的氯含量较高时,产生的HCl可能会影响FGD 的脱硫效率。

6.2.2 NOX排放

生物质混烧可以降低电厂中NOX的排放量。 首先,生物质中N 含量较低,使得燃料型NOX减少。 其次,生物质的热值较煤炭低,混烧生物质时炉膛温度降低,可以减少热力型NOX的生成量。 最后,生物质燃烧的中间产物是NH3,其向NOX的转化率较低[18]。

通过燃料分级、烟气再循环和炉内空气分级等可以有效控制NOX的排放。 在此基础上,使用选择性催化还原脱硝技术(SCR)可以进一步降低排放量,实现超低排放。 但在使用SCR 时,过低的烟温以及生物质灰中的无机挥发物可能会导致催化剂失活[19]。使用碱金属含量较低的生物质以及选择合适的共燃比可减少这一问题。

6.2.3 烟尘排放

烟尘排放主要来源于燃料中的灰分,生物质中的灰分含量较低,所以混烧生物质时通常会降低烟尘的排放,但生物质高挥发分和碱金属含量的特点使烟气中存在大量亚微米级悬浮颗粒。 采用静电除尘器难以将其完全去除,需加装袋式除尘器,但要防止微细气溶胶堵塞布袋。 同时,由于生物质热值较低,混烧后产生的烟气量较大,选择除尘技术时要考虑到这一点。

7 结语

在“双碳”压力下我国面临着能源转型,燃煤电厂混烧生物质发电技术可有效减少CO2排放量,是实现低碳发展最为经济有效的方法,在世界各地得到了广泛应用。

(1)通过对生物质和煤燃烧特性的分析可发现,生物质的挥发分较高,C、N、S含量较少,燃煤电厂混烧生物质可以提高燃料的反应活性,不仅实现大幅度CO2减排,还减少了SOX、NOX和烟尘等污染物的排放。

(2)通过浸出、烘焙、生物质成型燃料等与处理方式可以提高生物质燃料的能量密度,解决生物质燃料在储存、运输方面存在的问题。

(3)通过对国内外生物质混烧发展现状的总结可以发现,直接混合燃烧仅需对目前的火电厂进行改造,投资成本较低,是目前的主流技术路线,且生物质混烧电厂向大容量机组发展。 我国的生物质混烧技术与欧美国家存在差距,电厂发电机组容量较小,生物质混烧项目的建设和运营还需要国家政策补贴。

(4)对于生物质混烧中出现的结渣、腐蚀和积灰等问题可以通过生物质预处理及使用添加剂来解决。